JP4098225B2

JP4098225B2 - Plasma etching method

Info

Publication number: JP4098225B2
Application number: JP2003402110A
Authority: JP
Inventors: 充弘奥根; 宏之鈴木
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2023-12-01
Also published as: JP2005166838A; CN1886824A; CN100442452C

Description

本発明は、プラズマエッチング方法に関し、特にトレンチを良好に形成するプラズマエッチング方法に関する。 The present invention relates to a plasma etching method, and more particularly to a plasma etching method for forming a trench well.

近年、エレクトロニクス機器における小型化に伴って、それに付随する半導体装置も小型化が要求されてきている。従って、半導体装置の素子分離やメモリ・セル容量面積の確保を目的としてシリコン基板に形成されるトレンチ（溝や穴）には、例えば４０以上の高アスペクト比(溝または穴の深さ／溝または穴の径)が要求される。そして、このような高アスペクト比のトレンチをシリコン基板に形成する方法として、エッチングガスをプラズマ化して生じた活性種（イオンやラジカル）によりシリコン基板のエッチングを行うプラズマエッチング方法がある。 In recent years, along with downsizing of electronic equipment, downsizing of semiconductor devices associated therewith has been demanded. Accordingly, a trench (groove or hole) formed in a silicon substrate for the purpose of element isolation of a semiconductor device or securing a memory cell capacity area has, for example, a high aspect ratio (groove or hole depth / groove or groove) of 40 or more. Hole diameter) is required. As a method of forming such a high aspect ratio trench in a silicon substrate, there is a plasma etching method in which a silicon substrate is etched by active species (ions or radicals) generated by turning an etching gas into plasma.

ところで、トレンチには高アスペクト比が要求されると共に、図４に示されるような側壁部の傾斜角を略０度（垂直）にすることが要求される。しかし、高アスペクト比のトレンチを実現しようとする場合、トレンチの形状制御が困難となるので、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができないという問題がある。すなわち、プラズマエッチング方法によるシリコン基板のエッチング工程においては、電気的に中性なラジカルがシリコン基板表面に等方的に入射し、サイドエッチングを生じさせるので、特に高アスペクト比のトレンチにおいてはこれが顕著になり、トレンチ形状が所定の形状とならず図５に示されるような形状となるのである。 Incidentally, the trench is required to have a high aspect ratio and the inclination angle of the side wall as shown in FIG. 4 is required to be approximately 0 degrees (vertical). However, when a trench with a high aspect ratio is to be realized, it is difficult to control the shape of the trench, and thus there is a problem that the requirement for the trench shape and the requirement for the aspect ratio cannot be satisfied at the same time. That is, in the etching process of the silicon substrate by the plasma etching method, electrically neutral radicals are isotropically incident on the surface of the silicon substrate to cause side etching, and this is particularly noticeable in a high aspect ratio trench. Thus, the trench shape does not become a predetermined shape but becomes a shape as shown in FIG.

このような問題を解決する先行技術として、例えば特許文献１、２に記載のプラズマエッチング方法がある。
以下、特許文献１、２に記載のプラズマエッチング方法によるシリコン基板のエッチングについて図６に沿って説明する。
まず、図６（ａ）に示されるように、パターン形成されたマスク６００を用いて、エッチングガスをプラズマ化して生じた活性種によりシリコン基板６１０のエッチングを行う。このとき、イオンは負バイアスにより加速されてシリコン基板６１０表面に垂直に入射し、垂直方向にエッチングを進行させ、ラジカルはシリコン基板６１０表面に等方的に入射し、上端開口部のマスク６００下にサイドエッチングを生じさせる。 As a prior art for solving such a problem, there are plasma etching methods described in Patent Documents 1 and 2, for example.
Hereinafter, the etching of the silicon substrate by the plasma etching method described in Patent Documents 1 and 2 will be described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 6A, the silicon substrate 610 is etched by using active species generated by converting the etching gas into plasma using a patterned mask 600. At this time, the ions are accelerated by the negative bias and vertically incident on the surface of the silicon substrate 610 to cause etching to proceed in the vertical direction. Cause side etching.

次に、図６（ｂ）に示されるように、エッチングに対する保護膜６２０を、トレンチ内のシリコン基板６１０表面に形成する。
次に、図６（ｃ）に示されるように、再び活性種によりシリコン基板６１０のエッチングを行う。このとき、トレンチ側壁は保護膜６２０で覆われているため、ラジカルによる側面のエッチングは進行せず、垂直方向のエッチングと新たに現れたトレンチ側壁のエッチングが進行する。 Next, as shown in FIG. 6B, a protective film 620 against etching is formed on the surface of the silicon substrate 610 in the trench.
Next, as shown in FIG. 6C, the silicon substrate 610 is etched again by active species. At this time, since the trench sidewall is covered with the protective film 620, the etching of the side surface by radicals does not proceed, but the etching in the vertical direction and the etching of the newly appeared trench sidewall proceed.

次に、図６（ｄ）に示されるように、上記１〜３の工程を繰り返す。
以上のように従来のプラズマエッチング方法によれば、エッチング工程を複数回に分けておこない、エッチングを進行させる前にはトレンチ側壁を保護膜で覆うため、エッチングの回数を増やすことで高アスペクト比のトレンチを形成することができ、トレンチ側壁のエッチングの進行を抑えることができるので、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができる。
特開昭６０−５０９２３号公報特開平７−５０３８１５号公報 Next, as shown in FIG. 6D, the above steps 1 to 3 are repeated.
As described above, according to the conventional plasma etching method, the etching process is performed in a plurality of times, and the trench sidewall is covered with the protective film before the etching proceeds. Since the trench can be formed and the progress of the etching on the side wall of the trench can be suppressed, the requirement for the trench shape and the requirement for the aspect ratio can be satisfied at the same time.
Japanese Patent Laid-Open No. 60-50923 JP-A-7-503815

しかしながら、従来のプラズマエッチング方法では、エッチング工程と保護膜形成の工程とが繰り返しておこなわれるために、トレンチ側壁に凸凹が生じるという問題がある。
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができ、かつ、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。 However, in the conventional plasma etching method, the etching process and the protective film forming process are repeatedly performed, so that there is a problem that unevenness is generated on the trench side wall.
Therefore, in view of such problems, the present invention provides a plasma etching method capable of simultaneously satisfying a demand for a trench shape and a demand for an aspect ratio and forming a trench having a smooth side wall. Objective.

上記目的を達成するために、本発明のプラズマエッチング方法は、処理室内においてＳｉからなる被処理体をプラズマエッチングする方法であって、ＳＦ₆、Ｏ₂ 、Ｃｌ ₂及び希ガスとしてのＨｅからなるエッチングガスを前記処理室内に導入し、前記エッチングガスをプラズマ化して前記被処理体をエッチングしてトレンチを形成し、前記処理室内に導入するＨｅの量は、前記エッチングガスの総流量に対して３０〜９０％を維持するよう制御し、前記処理室内に導入するＣｌ₂の量は、前記エッチングガスの総流量に対して１０％未満であることを特徴とする。ここで、前記エッチングガスをＩＣＰ法によりプラズマ化してもよい。 To achieve the above object, a plasma etching method of the present invention, the object to be processed comprising Si in the processing chamber to a method of plasma etching, consisting of He as SF _6, O _{_2,} Cl ₂ and a rare gas An etching gas is introduced into the processing chamber, the etching gas is turned into plasma, the object to be processed is etched to form a trench, and the amount of He introduced into the processing chamber is relative to the total flow rate of the etching gas. was controlled to maintain 30 to 90% and the amount of Cl ₂ introduced before Symbol treatment chamber, characterized in that the less than 10% of the total flow rate of the etching gas. Here, the etching gas may be converted into plasma by an ICP method.

これらによって、トレンチ内部のガスが外部に追い出されるようなガス流を発生させ、トレンチ内部の反応生成物及び活性種の滞在時間を短くすることができるので、高アスペクト比のトレンチを形成する場合においても、トレンチにサイドエッチングが生じたり、トレンチが先細りしたりするのを抑制することができる。つまり、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができるプラズマエッチング方法を実現することができる。さらに、１回のエッチング工程によりシリコン基板にトレンチを形成することができるので、トレンチ側壁に凸凹が生じるのを防ぐ。つまり、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を実現することができる。
また、エッチングガスはＣｌ ₂ を含むので、トレンチ側壁保護効果が強すぎた場合に、トレンチの底まで保護する作用が働き、部分的にエッチングが阻害されて生じるトレンチの底の残渣を低減することができるプラズマエッチング方法を実現することができる。 As a result, a gas flow in which the gas inside the trench is expelled to the outside can be generated, and the residence time of the reaction products and active species inside the trench can be shortened. Therefore, in the case of forming a high aspect ratio trench However, it is possible to suppress side etching in the trench or taper of the trench. That is, it is possible to realize a plasma etching method that can simultaneously satisfy the demand for the trench shape and the demand for the aspect ratio. Furthermore, since the trench can be formed in the silicon substrate by one etching process, it is possible to prevent unevenness on the sidewall of the trench. That is, a plasma etching method capable of forming a trench having a smooth side wall can be realized.
In addition, since the etching gas contains Cl ₂ , when the trench side wall protection effect is too strong, it acts to protect the trench bottom, reducing the residue at the bottom of the trench caused by partial inhibition of etching. It is possible to realize a plasma etching method capable of

ここで、前記処理室の内壁は、絶縁性材料からなってもよい。また、前記絶縁性材料は、石英、アルミナ、アルマイト加工されたアルミ母材あるいは酸化イットリウムであってもよい。
これによって、プラズマ密度を高く保ち、エッチングレートを高く維持し、トレンチに対する側壁保護効果が低下するのを防ぐことができるので、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を実現することができる。 Here, the inner wall of the processing chamber may be made of an insulating material. The insulating material may be quartz, alumina, anodized aluminum base material, or yttrium oxide.
As a result, the plasma density can be kept high, the etching rate can be kept high, and the side wall protection effect on the trench can be prevented from being lowered, so that plasma etching that can form a trench having a predetermined shape without causing side etching in the trench. A method can be realized.

本発明に係るプラズマエッチング方法によれば、高アスペクト比のトレンチを形成する場合においても、トレンチにサイドエッチングが生じたり、トレンチが先細りしたりするのを抑制することができ、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができる。また、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できる。また、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できる。 According to the plasma etching method of the present invention, even when a trench having a high aspect ratio is formed, side etching and / or taper of the trench can be suppressed. The demand for the aspect ratio can be satisfied at the same time. Further, a trench having a smooth side wall can be formed. Further, a trench having a predetermined shape can be formed without causing side etching in the trench.

よって、本発明により、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができ、かつ、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング方法を提供することが可能となり、実用的価値は極めて高い。 Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a plasma etching method capable of simultaneously satisfying the demand for the trench shape and the demand for the aspect ratio, and forming a trench having a smooth side wall, and has practical value. Is extremely expensive.

以下、本発明の実施の形態におけるプラズマエッチング装置について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態のプラズマエッチング装置の構成を示す図である。
プラズマエッチング装置は、例えばＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）型エッチング装置であって、真空のエッチングチャンバー１００と、エッチングチャンバー１００内の上部電極１１０及び下部電極１２０と、高周波電源１３０ａ、１３０ｂと、ガス導入口１４０と、排気口１５０とを備える。 Hereinafter, a plasma etching apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the plasma etching apparatus of the present embodiment.
The plasma etching apparatus is, for example, an ICP (Inductively Coupled Plasma) type etching apparatus, which is a vacuum etching chamber 100, an upper electrode 110 and a lower electrode 120 in the etching chamber 100, high frequency power supplies 130a and 130b, and a gas inlet. 140 and an exhaust port 150.

エッチングチャンバー１００は、エッチングがおこなわれる処理室であり、内壁が例えば石英、アルミナ、アルマイト加工されたアルミ母材あるいは酸化イットリウム等の絶縁性材料からなる。
高周波電源１３０ａ、１３０ｂは、例えば１３．５７MHｚの高周波電力を供給する。
ガス導入口１４０は、エッチングチャンバー１００にガスを供給する。 The etching chamber 100 is a processing chamber in which etching is performed. The inner wall is made of an insulating material such as quartz, alumina, anodized aluminum base material, or yttrium oxide.
The high frequency power supplies 130a and 130b supply high frequency power of 13.57 MHz, for example.
The gas inlet 140 supplies gas to the etching chamber 100.

排気口１５０は、エッチングチャンバー１００内のガスを排気する。
次に、トランジスタ等の半導体装置の製造における１工程としての上記プラズマエッチング装置を用いたシリコン基板のトレンチ加工について、以下で順に説明する。
まず、下部電極１２０上にシリコン基板を載置し、エッチングチャンバー１００内を一定の圧力に保ちながら、ガス導入口１４０を介してエッチングガスを供給し、排気口１５０から排気する。ここで、エッチングガスは、ＳＦ₆ガスを主成分とし、これにＯ₂及び希ガス、例えばＨｅ等のガスを添加した混合ガスである。また、Ｈｅ量は、少ないとＳＦ₆ガス及びＯ₂のエッチングガス中での占める割合が大きくなってトレンチにサイドエッチングを生じたり、トレンチが先細りしたりし、また、多いとＳＦ₆ガス及びＯ₂のエッチングガス中での占める割合が小さくなってエッチングが進まないので、総流量に対して３０〜９０％となるように調節する。なお、希ガスは、Ａｒ、Ｘｅであってもよい。 The exhaust port 150 exhausts the gas in the etching chamber 100.
Next, trench processing of a silicon substrate using the plasma etching apparatus as one step in the manufacture of a semiconductor device such as a transistor will be described in order below.
First, a silicon substrate is placed on the lower electrode 120, and an etching gas is supplied through the gas inlet 140 and exhausted from the exhaust port 150 while maintaining a constant pressure in the etching chamber 100. Here, the etching gas is a mixed gas in which SF ₆ gas is a main component and O ₂ and a rare gas such as He are added thereto. Further, He amount is small, or cause side etching to trench ratio increases occupied in SF ₆ gas and the etching gas of O _2, or tapered trench, also often an SF ₆ gas and O _{Since the} ratio of _{2 in} the etching gas decreases and etching does not proceed, adjustment is made to be 30 to 90% of the total flow rate. The rare gas may be Ar or Xe.

次に、高周波電源１３０ａ、１３０ｂから上部電極１１０及び下部電極１２０にそれぞれ高周波電力を供給して、エッチングガスをプラズマ化させる。Ｆ⁺イオン、Ｆラジカル等のプラズマ中の活性種は、シリコン基板のシリコンと反応して、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₂Ｆ₆等の反応生成物を生成し、シリコン基板をエッチングしてトレンチを形成する。このとき、エッチング対象がシリコン基板であることを考慮して、下部電極１２０に印加するＲＦパワーは、低く例えば約５０Ｗに設定する。 Next, high frequency power is supplied from the high frequency power supplies 130a and 130b to the upper electrode 110 and the lower electrode 120, respectively, and the etching gas is turned into plasma. Active species in plasma such as F ⁺ ions and F radicals react with silicon on the silicon substrate to generate reaction products such as SiO ₂ and Si ₂ F ₆ , and the silicon substrate is etched to form trenches. . At this time, considering that the etching target is a silicon substrate, the RF power applied to the lower electrode 120 is set to a low value, for example, about 50 W.

以上のように本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、Ｈｅを含むエッチングガスを用いてシリコン基板にトレンチを形成する。よって、図２に示されるように、トレンチ内部のガスが外部に追い出されるようなガス流を発生させ、トレンチ内部の反応生成物及び活性種の滞在時間を短くすることができるので、本実施の形態のプラズマエッチング装置は、例えば４０以上の高アスペクト比のトレンチを形成する場合においても、トレンチにサイドエッチングが生じたり、トレンチが先細りしたりするのを抑制することができる。つまり、トレンチ形状に対する要求とアスペクト比に対する要求とを同時に満たすことができるプラズマエッチング装置を実現することができる。 As described above, according to the plasma etching apparatus of the present embodiment, the trench is formed in the silicon substrate using the etching gas containing He. Therefore, as shown in FIG. 2, it is possible to generate a gas flow in which the gas inside the trench is expelled to the outside, and to shorten the residence time of the reaction product and active species inside the trench. For example, even when a high aspect ratio trench of 40 or more is formed, the plasma etching apparatus according to the embodiment can suppress side etching in the trench or taper of the trench. That is, it is possible to realize a plasma etching apparatus that can simultaneously satisfy the demand for the trench shape and the demand for the aspect ratio.

また、本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、１回のエッチング工程によりシリコン基板にトレンチを形成する。よって、トレンチ側壁に凸凹が生じるのを防ぐことができるので、本実施の形態のプラズマエッチング装置は、なめらかな形状の側壁を有するトレンチを形成できるプラズマエッチング装置を実現することができる。
また、本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、Ｏ₂を含むエッチングガスを用いてシリコン基板をエッチングする。よって、トレンチに対する側壁保護効果を高めることができるので、本実施の形態のプラズマエッチング装置は、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できるプラズマエッチング装置を実現することができる。 Moreover, according to the plasma etching apparatus of this embodiment, a trench is formed in a silicon substrate by one etching process. Therefore, unevenness can be prevented from occurring on the trench side wall, so that the plasma etching apparatus of this embodiment can realize a plasma etching apparatus capable of forming a trench having a smooth side wall.
In addition, according to the plasma etching apparatus of the present embodiment, the silicon substrate is etched using an etching gas containing O ₂ . Therefore, since the sidewall protecting effect on the trench can be enhanced, the plasma etching apparatus of this embodiment can realize a plasma etching apparatus that can form a trench having a predetermined shape without causing side etching in the trench.

また、本実施の形態のプラズマエッチング装置によれば、エッチングチャンバー１００の内壁が絶縁性材料からなる。よって、図３（ａ）に示されるように放電により生じた電子のエッチングチャンバー壁３００への衝突によりプラズマ３１０の密度が低くならず、図３（ｂ）に示されるようにプラズマ３１０の密度を高く保ち、エッチングレートを高く維持し、トレンチに対する側壁保護効果の低下を防止することができるので、本実施の形態のプラズマエッチング装置は、トレンチにサイドエッチングを生じさせず、所定形状のトレンチを形成できるプラズマエッチング装置を実現することができる。 Further, according to the plasma etching apparatus of the present embodiment, the inner wall of the etching chamber 100 is made of an insulating material. Therefore, as shown in FIG. 3A, the density of the plasma 310 is not lowered by the collision of the electrons generated by the discharge with the etching chamber wall 300, and the density of the plasma 310 is reduced as shown in FIG. Since the etching rate can be kept high and the sidewall protection effect on the trench can be prevented from being lowered, the plasma etching apparatus of the present embodiment forms a trench having a predetermined shape without causing side etching in the trench. It is possible to realize a plasma etching apparatus that can be used.

なお、本実施の形態のプラズマエッチング装置において、エッチングガスは、ＳＦ₆ガスを主成分とし、これにＯ₂及び希ガスを添加した混合ガスであるとした。しかし、エッチングガスには、さらに塩素（Ｃｌ₂）ガスが例えば総流量の１０％以下、例えば約１０％添加されていてもよい。これによって、トレンチ側壁保護効果が強すぎた場合に、トレンチの底まで保護する作用が働き、部分的にエッチングが阻害されて生じるトレンチの底の残渣を低減することができる。 In the plasma etching apparatus of the present embodiment, the etching gas is a mixed gas in which SF ₆ gas is the main component and O ₂ and a rare gas are added thereto. However, chlorine (Cl ₂ ) gas may be added to the etching gas, for example, 10% or less of the total flow rate, for example, about 10%. As a result, when the trench side wall protection effect is too strong, an action of protecting the trench to the bottom of the trench works, and the residue at the bottom of the trench caused by partial inhibition of etching can be reduced.

本発明は、プラズマエッチング方法に利用でき、特に半導体装置のトレンチ加工に際しての半導体基板のエッチング等に利用することができる。 The present invention can be used for a plasma etching method, and in particular, can be used for etching a semiconductor substrate during trench processing of a semiconductor device.

本発明の実施の形態のプラズマエッチング装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the plasma etching apparatus of embodiment of this invention. 同実施の形態のプラズマエッチング装置におけるエッチングガスにＨｅを用いた効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect which used He for the etching gas in the plasma etching apparatus of the embodiment. 同実施の形態のプラズマエッチング装置におけるエッチングチャンバー１００の内壁に絶縁性材料を用いた効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect which used the insulating material for the inner wall of the etching chamber 100 in the plasma etching apparatus of the embodiment. 所定の形状のトレンチが形成されたシリコン基板の断面図である。It is sectional drawing of the silicon substrate in which the trench of the predetermined shape was formed. サイドエッチングの生じたトレンチが形成されたシリコン基板の断面図である。It is sectional drawing of the silicon substrate in which the trench which a side etching produced was formed. 従来のプラズマエッチング方法によるシリコン基板のエッチングを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the etching of the silicon substrate by the conventional plasma etching method.

Explanation of symbols

１００エッチングチャンバー
１１０上部電極
１２０下部電極
１３０ａ、１３０ｂ高周波電源
１４０ガス導入口
１５０排気口
３００エッチングチャンバー壁
３１０プラズマ
６００マスク
６１０シリコン基板
６２０保護膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Etching chamber 110 Upper electrode 120 Lower electrode 130a, 130b High frequency power supply 140 Gas inlet 150 Exhaust outlet 300 Etching chamber wall 310 Plasma 600 Mask 610 Silicon substrate 620 Protective film

Claims

A method of plasma etching a target object made of Si in a processing chamber,
An etching gas composed of SF ₆ , O ₂ , Cl ₂ and He as a rare gas is introduced into the processing chamber, the etching gas is turned into plasma, and the object to be processed is etched to form a trench,
The amount of He introduced into the processing chamber is controlled to maintain 30 to 90% with respect to the total flow rate of the etching gas,
The amount of Cl ₂ introduced before Symbol treatment chamber, a plasma etching method, wherein the less than 10% of the total flow rate of the etching gas.